降低电源纹波噪声的方法与实例

5G

在应用电源模块常见的问题中,降低负载端的纹波噪声是大多数用户都关心的。下文结合纹波噪声的波形、测试方式,从电源设计及外围电路的角度出发,阐述几种有效降低输出纹波噪声的方法。

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纹波噪声的测试方法

降低电源纹波噪声的方法与实例

对于中小微功率模块电源的纹波噪声测试,业内主要采用平行线测试法和靠接法两种。其中,平行线测试法用于引脚间距相对较大的产品,靠测法用于模块引脚间距小的产品。但不管用平行线测试法还是靠测法,都需要限制示波器的带宽为20MHz。

具体如图1和图2所示。

图1 平行线测试法

注1:C1为高频电容,容量为1μF;C2为钽电容,容量为10μF。

注2:两平行铜箔带之间的距离为2.5mm,两平行铜箔带的电压降之和应小于输出电压的2%。

图2 靠接测试法

去除地线夹测试的区别

测试纹波噪声需要把地线夹去掉,主要是由于示波器的地线夹会吸收各种高频噪声,不能真实反映电源的输出纹波噪声,影响测量结果。下面的图3和图4分别展示了对同一个产品,使用地线夹及取下地线夹测试的巨大差异。

图3 使用地线夹测试-示波器垂直分辨率200mv/div图4 去除地线夹测试-示波器垂直分辨率50mv/div

输出滤波电容的影响

输出滤波电容的容值、ESR对模块输出的纹波噪声也有直接影响。对比同一个产品在外围是否增加电容对纹波噪声影响。不加外接电容时,测试输出的纹波噪声,如图5所示,约为100mV。同样的输入、负载条件下,电源的输出端加226的MLCC,实测电源输出的纹波噪声降到不到40mV。

图5 无外接电容图6 外加226电容

实际应用时,电容除容量、ESR外,建议负载端的电容在回到电源之前,先汇集到输出电容,经过电容滤波后,再回到电源,从而有效降低纹波噪声对电路的影响。

电感对纹波噪声的影响

电感的感量及寄生电容对纹波噪声的影响同样显著。一般地,感量大时对纹波抑制作用明显,寄生电容小的电感对噪声抑制效果好。以对纹波抑制为例,测试对电源输出纹波的影响,我们先人为的把产品内部的滤波电感短路,只用电容滤波,测得纹波噪声如图7所示,纹波峰峰值约50mV。

图7 人为短路内部滤波电感的纹波噪声图

下一步,在电源外部增加一个LC电路,在相同输入、负载条件下,重测纹波噪声图,如图8所示,纹波已接近直线,非常小。

图8 外加LC的纹波噪声图

非纹波的震荡处理

前面介绍了纹波是与开关电源的工作频率相关,但是还有另外一种震荡是与负载的工作频率相关的,如图9所示。

图9 负载工作周期大约1.1s

DC-DC电源模块给MCU、晶振、WiFi模块、4G/5G模块等电路同时供电,WIFI模块会继续周期性的扫描,扫描开启时,电源模块电流会增加,使得模块输出电压瞬间会有一个下降;同理扫描关断时,模块输出电压会上升突变。

这种模块输出电压的突变,并不是产品本身的纹波噪声,而是由于负载电流的突变,释放了电容电压。减小这类纹波的最好办法,是在负载前端增加π滤波器或大电容。

在4G/5G模块正常工作时会有2~3A的瞬态负载电流,可以在4G/5G模块前端增加大电容减小供电电压的纹波。

选择产品型号时,可以特别关注产品的瞬态性能。如下图所示,E-UHBCS-6W、E-UHBDD-6W、E-UHBDD-10W、E-UHBD-20W系列产品的瞬态性能指标。负载50%~75%阶跃变化时,输出电压波动为±5%,可以通过增加输出滤波电容,减小输出电压的波动。

图10 瞬态性能指标

E-UHBCS-6W、E-UHBDD-6W、E-UHBDD-10W、E-UHBD-20W系列产品输出纹波噪声的典型值为50mV,输出电压小,输出纹波值也越小。

小结

以上简单从纹波噪声的图例、测试方法开始,描述从电源设计、外部电路应用出发,结合实际测试比较几种降低纹波噪声的方法。实际的工程应用中还需考虑电容、电感的负载效应、自激影响等,需再做深究。

 

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